智能電表中的實時鐘校準研究

在智能電表中，結(jié)算方式已經(jīng)由原有的電量結(jié)算轉(zhuǎn)換為金額結(jié)算，并且費率模式也較以往的電表更為復雜，這些需求對智能電表中的實時鐘（Real Time Clock，RTC）提出了更高的要求。而眾所周知，影響實時鐘精度的主要原因為晶體的溫度偏差，晶體的溫度曲線接近二次曲線，因此用二次曲線校正的方法，可修正晶體的溫度偏差，從而提升智能電表的實時鐘精度。

1 引言

在國內(nèi)使用的智能電表都具有實時時鐘，根據(jù)行業(yè)標準，要求其在工作溫度范圍內(nèi)精度滿足小于 1 s/day（11.5 ppm），在 23 ℃ 時滿足小于 0.5 s/day（ppm）實際應用中還要考慮到晶體的老化及校準誤差等因素影響[1-6]， RTC 時鐘誤差在廠家校準應該至少做到 8 ppm 以下。

目前智能電表的 RTC 校準一般有 2 種方式。

（1）采用外置帶溫度補償?shù)?RTC，如 EPSON 的 RX8025T，其校準是由芯片廠家出廠前根據(jù)多溫度點測試校準好的，電表廠家不需要校準，這種方式由于成本因素本應逐漸退出智能電表領(lǐng)域[7,8]。行業(yè)普遍應用的是單溫度點校準方法，這種方法雖然不能保證每個電表的 RTC 精度都是合格的，所以仍占有較大市場份額。

（2）主控制器內(nèi)置 RTC，如復旦微的 FM3318，其 RTC 的校準是只進行常溫下單點校準，二次曲線系數(shù)是根據(jù) 32 768 Hz 晶體的批量數(shù)據(jù)預制的，每批電表都使用相同之處的系數(shù)[9-13]。

頻率為 32 768 Hz 晶體的溫度曲線如圖 1，接近二次曲線，這種單溫度點校準相當于β和 T0 使用固定值，只校準 S0[14,15]。根據(jù)晶體廠家提供的參數(shù)，β一般為 0.035±0.0012 ppm，T0 為 23±2 ℃。

根據(jù)二次曲線 ，假如β為 0.035，和預制值一致，T0 預置 23 與實際值偏差 2 ℃ 時，并且考慮到溫度誤差 0.5℃，在溫度-25 ℃ Y的偏差分別為 8.6 ppm，在工作溫度 -40 ℃ 和 85 ℃ 時達到 -11 ppm. 這幾個偏差值還不包括晶體實際曲線與二次曲線的偏差β及校準偏差以及晶體本身的老化影響。

從上面數(shù)據(jù)可以看出采用單點校準方法一定會導致部分 RTC 在高低溫下超差。另一個影響 RTC 運行中精度的重要因素是晶體自身的年老化率，按照晶體廠家提供的數(shù)據(jù)，第一年晶體的最大老化率有±3 ppm，以后每年約±1ppm，按照電表能夠使用 10 年的要求，由于晶體老化的影響，智能電表 5 年后就有可能不滿足 23 ℃ 時 RTC 誤差小于 0.5 s/day 的要求。而此年老化率的影響是正負都有可能，無法在生產(chǎn)校準中解決。

2 通過實驗數(shù)據(jù)得到晶體的溫度曲線

困擾智能電表行業(yè)多年的一個難題，即采用 SoC 方案的智能電表的 RTC，如果采用單溫度點校準法，能滿足量產(chǎn)化需求，卻無法保證每個表的 RTC 精度都合格。采用三溫度點校準發(fā)，能保證電表 RTC 精度合格，但卻由于校準時間長無法量產(chǎn)。為了更好地解決這一問題，通過實驗數(shù)據(jù)歸納出了RTC 的精度受晶體頻率影響的曲線，如表 1 所示。

通過測試多組 RTC 未校準前的精度受溫度影響數(shù)據(jù)，根據(jù)圖 1 中的數(shù)據(jù)描出溫度與精度曲線，可以得到 1 個近似的二次曲線 y=ax3+bx2+cx+d，β為二次項系數(shù)，T0 為頂點溫度，S0 為常數(shù)。按表 1 數(shù)據(jù)擬合出的曲線中，β為 -0.0343，T0 為 23.3，S0 為 12.52。選擇不同的溫度點數(shù)據(jù)擬合曲線的 β 和 T0 值并不一致，且變化范圍也有所不同。采用 3 溫度點數(shù)據(jù)擬合二次曲線的方法得到的數(shù)據(jù)見表 2。

從數(shù)據(jù)中明顯可見：采用不同的溫度點數(shù)據(jù)擬合出來的二次曲線的系數(shù)明顯不同。前 4 組溫度點擬合出來的β值與多點擬合時的β值相差較小，但 T0 的變化范圍相對較大。

實測 -40 ℃ 到 85 ℃ 誤差數(shù)據(jù)得到與擬合的二次曲線的差值曲線，可見溫度對頻率影響曲線還應該包含三次或更高次項，因此得到根據(jù)差值曲線擬合的三次曲線 y=ax3+bx2+cx+d，或四次擬合曲線 y=hx4+ax3+bx2+cx+d

根據(jù)表 1 中的差值數(shù)據(jù)可以得到式 1。

（1）

采用不同的溫度點數(shù)據(jù)擬合出來的二次曲線的系數(shù)明顯不同的原因就是此三次曲線或更高次曲線影響引起的。

可見，若要實現(xiàn)全溫度范圍內(nèi)的高精度 RTC，必須要對二次曲線和三次或更高次曲線都進行校準。根據(jù)曲線公式，可以看出，若要準確校準 RTC至少需要五個溫度點，這在電表批量生產(chǎn)時是不現(xiàn)實的。 可是，在三溫度點擬合二次曲線前，如果先把三次曲線的影響補償了，再進行擬合，得到的二次曲線系數(shù)很接近，見表 2 中進行三次修正后擬合的數(shù)據(jù)。

3 兩點校準的數(shù)據(jù)實驗

選擇適合的校準點，確定溫度對頻率影響曲線中的二次項系數(shù) β，實現(xiàn)兩點校準。通過實驗總結(jié)，同一型號的晶體，從批量測試數(shù)據(jù)得到二次曲線中β的變化范圍較小，見表 3。

為此我們可以根據(jù)選定型號的晶體，選擇適合測試及校準溫度點，固定β值，只進行 2 溫度點測試及校準 T0 或 S0，選取的校準溫度點需要滿足 2 個特征:此溫度點便于操作，且最好是正常電表生產(chǎn)工藝中使用的溫度點，此溫度點下，β的變化范圍較小，選取的溫度點能夠兼顧常溫和高低溫。

根據(jù)擬合的三次曲線（四次曲線或更高次曲線方法類似）。

（2）

根據(jù)對其求導后的公式，可以得到變化率最小的溫度點。

（3）

x =22.2±32.5

x1=54.7， x2=-10.3

選定溫度點后，在選定溫度點重新按擬合，擬合時數(shù)據(jù)去除偏差影響值，批量測試同一型號晶體，各晶體的β和 T0 都在表 4 范圍內(nèi)。

4 通過上述實驗總結(jié)出的 RTC 校準方法

（1）校準溫度點的選擇，綜合考慮電表的一般生產(chǎn)工藝過程及溫度點與 β的關(guān)系，選擇特定校準溫度點 T1 和 T2。

（2）確定所選型號晶體的β值，選擇五溫度點測試 RTC 誤差，得到 4 個電表的β值，將β的平均值作為此型號晶體的固定系數(shù)，每個電表都采用此固定系數(shù)。

（3）確定所選型號晶體按照二次曲線補償后的頻率溫度特性實測值與二次曲線的偏差 E’，采用較二次曲線更高次項的曲線擬合該偏差 E’，該擬合曲線，得到各溫度點的曲線偏差值 E，這個值為晶體按二次曲線校準后殘存的偏差值，制作偏差值 E 與溫度 X 或偏差值 E 與晶體計時誤差Y 的對應表格。

（4）RTC 的β值與各溫度點的偏差值 E 通過通信接口預置到電表中，每個電表在正常生產(chǎn)中，都進行兩溫度點校準。

（5）每個智能電表在生產(chǎn)中，收到啟動測量溫度點 RTC 誤差命令后，首先關(guān)閉 RTC 的溫度補償功能，啟動溫度測量。

（6）根據(jù)溫度測量值判斷電表溫度已經(jīng)進入預定溫度的允許范圍內(nèi)后，然后進行步驟（7）。

（7）通過主控制器的計時單元測量外部輸入的標準時鐘，計時時間 Tj 需要保證計時分辨率達到 0.1 ppm/s，由計時單元測量 Tj 得到晶體計時誤差測量值 Tb，Tb1、Tb2、Tb3。

（8）在每次計時的同時，主控制器需要測量多個溫度值。去掉最大值、最小值后取溫度平均值 W。不同時刻 Tb1、Tb2、Tb3 分別對應平均值 W1、W2、W3，取中間一組對應值作為后面計算用值，Tb 記為 Y1，W 記為 X1，并存儲到存儲器之中。

（9）測量高溫點的誤差及溫度，與常溫不同的是，判斷電表溫度已經(jīng)進入預定溫度的允許范圍內(nèi)后，再連續(xù)判斷 3～5 分鐘，保證電表溫度進入比較穩(wěn)定狀態(tài)。

（10）執(zhí)行步驟（7）和（8），得到高溫點的一組值 Y2 和 X2。

（11）由主控制器解方程計算得到 T0 、S0 ，其β為已知固定值。

Y1=β（X1- T0）×2+ S0

Y2=β（X2- T0）×2+ S0

（12）根據(jù)得到的 T0 、S0 及β，進行 RTC 校準，并啟動溫度補償。

（13）根據(jù)對應表格確定不同溫度 X 或晶體計時誤差 Y 的偏差值 E，計算得到該溫度 X 或晶體計時誤差 Y 對應的 S0 補償后的值 S0’。

S0’= S0+E

（14）具體分兩類：若 RTC 為自動補償將 T0 、S0 ，β數(shù)據(jù)寫到補償控制寄存器，RTC 不支持更高次項補償，則需要計算出高次項影響偏差值 E，根據(jù)此值調(diào)整 S0。若為非自動模式的，則計算得到偏差值 E 作為補償值寫到補償控制寄存器。

（15）由主控制器測量補償結(jié)果，保證補償后的 RTC 誤差在 1 ppm 以下。

（16）未達到預定補償結(jié)果的在電表的 LCD 屏上顯示異常代碼，作為維修指示，補償成功的顯示校準正常代碼。

校準溫度點 T1 和 T2 分別為常溫點 23 ℃ 和高溫點 56 ℃ 附近。晶體老化過程中還包括：逐個比較若干個時間間隔之后，平均溫度接近的 RTC 相對誤差差值 ?S0。將 ?S0 與設定門限比較，若兩個時間間隔間的?S0 超過設定門限，根據(jù) RTC 相對誤差，計算出晶體頻率變化數(shù)據(jù)，修改 S0。

擬合曲線為三次擬合曲線：

y=ax3+bx2+cx+d

采用五個溫度點數(shù)據(jù)對 a，b，c，d 進行標定。

擬合曲線也可為四次擬合曲線：

y=hx4+ax3+bx2+cx+d

采用六個溫度點數(shù)據(jù)，對 h，a，b，c，d 進行標定。

由管理主站讀取每個電表的補償系數(shù)及校準后的 RTC 精度，并保存到數(shù)據(jù)庫中，對故障表提示，由維修人員進行單獨處理。晶體計時誤差 Y 的單位為 ppm。批量生產(chǎn)中不進行上述（1）、（2）、（3）步驟。

5 結(jié)語

通過對上述實驗數(shù)據(jù)的分析，歸納出相應的方法。經(jīng)過大量的驗證，提升了原來在智能電表中實時鐘的校準方法。目前這種方法已經(jīng)得到了批量推廣，由此節(jié)省了人力和物力，為智能表計的生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支持。

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